? 根据元素的 Z’,还可说明元素的 原子半径, 电离能, 电
负性, 金属性 等的 递变规律,
§ 5-3 元素的性质与原子结构的关系
? 中学知, 元素周期表最早是通过元素性质排列出来的
? 通过学习原子结构, 我们可进一步 (从原子结构的角度 )认
识周期表以及元素性质的 周期性 变化
? 元素有效核电荷的周期性变化，决定了 原子半径、电离
能、电子亲合能、电负性、金属性与非金属性 的周期性
变化。首先：
? (一 ) 原子半径
? 1,种类：
? a) 通过理论计算 ——*自由半径
? 定义,电子云 90%的界面 (球面 )
r
90%
? 共价分子 /化合物 中，共价键键长的 1/2
? 如 O2分子,r=RAA’/2,称为 共价半径
? 金属晶体 中，原子结合情况与共价化合
? 物稍有不同则 r=RMM’/2,称为 金属半径
? 惰性气体 中，原子间不形成化学键，但
? 由于在 T很低时也能液化、固化，因此
? 原子 (分子 )间以分子间力 (Van de Waals力 )
? 作用，相互接触，形成分子晶体
? 以及如 干冰 CO2,两个 分子间 也以 VdW
? 力相互作用,其 O-O间的半径
? 以上二者都称为 接触半径
或 van de Waals半径
A A’
RAA’
A A’
RAA’
CO2 CO2
? b) 通过实验测定：
原子半径 (pm) 比例图
H
37
He
Li Be152 111 B C N O F Ne80 77 70 66 64
Na Mg
186 160
Al Si P S Cl Ar
143 117 110 104 99
K Ca
227 197
Ga Ge As Se Br Kr
122 123 121 117 114
Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
161 145 131 125 137 124 125 125 128 123
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
248 216 181 160 143 136 136 133 135 138 145 149 163 141 141 143 133
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
265 217 188 156 143 137 134 134 136 138 144 160 170 175 155 187
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
188 183 182 181 181 180 199 180 178 177 177 173 175 194 173
? 尽管 r的种类、取法有不同，但研究原子半径，
总有一些变化规律 (p149 表 5-8)
? 2,变化规律
? 横向看,主族 副族
? 明显减小,惰性气体突然增大 缓慢减小 略有上升
? 因, 最外层的同层增加 1e n-1层增加 1e,?增加 0.85
? 增加 0.35,Z’?0.65,r?大 Z’?0.15,r? 较小
回升, 因电子层已满，且为接 因 d10 已满，屏蔽效应
触半径,堆积不紧密 较大
r
族VII
A 0IA
? ?pm '9.52 2Znr ?
族I
B IIBⅢ B
r
? 纵向看,主族 副族
r
周期下上
? 明显增大 1?2缓慢增大； 2?3几乎不变
(少数减小 )
? 因为：电子层数 n增大 e填充内层,d电子多,r?较少
La系收缩 (e填 n-2,相对论收缩 )
? (二 )电离能 (IE,Ionization Energy; IP,Ionization Potential)
? 1,定义,由气态原子失去 e,变成 +1价离子吸收的能量
? A (g) – e == A+ (g) EI (IPI,IEI) 第一电离能 =?rHm?
? A+ (g) – e == A2+ (g) EII (IPII,IEII) 第二电离能
r
过渡系2 31
? 2、规律 ——p151 表 5-10
? 总体来看, 横向 (各周期,不同族 )：
? 主族 左 ?右 较快升高,0族最高
? 副族 左 ?右 较慢升高 ；
? 纵向 (各族,不同周期 )：
? 主, 副族 上 ?下 减小
但是，细致分析有：
Ar n=3
Ne n=2F
ON
CBBe
Li
Ⅵ AIIA
IE1
主族
Ⅲ A VA
总体趋势, 左 ?右 ↑
上 ?下 ↓
但,1) B<Be,Al<Mg
或 IIIA< IIA
2) O<N,S<P
或 VIA< VA
与近似能级公式 矛盾 !
因此,Cs(Fr)最小
He最大
2
2'
6.13 nZE ??
? 因为：
? 原因是,Be的 2s2电子已经配对,拆散困难 (克服成对能 )
? N为稳定的 半满结构,失去 e困难 同理 d5 d10
? 电子填充不规则，电离能变化不规则,进一步说明原子、
分子的电子结构复杂，性质很难有简单公式描述
? Koopmann定理,电离能 ≈-E能级 (电离能 ≠-E能级 )
? 是因为 电离过程 中, e云要发生变形, 原来的相互作用
(Hamilton量 )要重新分配, 伴随能级发生变化
? 因此, 用能级公式计算电离能, 只能 用于电子作用不
重新分配的 H原子和类 H离子这样的 单电子体系
Ar n=3
Ne n=2F
ON
CBBe
Li
Ⅵ AIIA
IE1
主族
Ⅲ A VA
Be,1s22s2 Z’= 4–(2× 0.85+0.35)=1.95
B,1s22s22p1 Z’=5–(2× 0.85+2× 0.35) =2.60
N,1s22s22p3 Z’=7–(2× 0.85+4× 0.35)=3.90
O,1s22s22p4 Z’=8–(2× 0.85+5× 0.35)=4.55
且 后者 的 r 也小 ?的确与静电作用 矛盾！
? (三 ) 电子亲合能与电负性
? 1,电子亲合能 *
? 定义：基态的气态原子, 获得一个 e放出的能量：
? A (g) + e ? A- (g) EA=-?rHm? (Electronic Affinity)
? 是衡量 原子 尤其是非金属原子 获得 e难易程度 的物理量
? 显然 Z’越大, 获得电子的能力越强, EA?
? 因此 周期表右上角 EA大,变化规律大体与电离能一致
不过迄今为止，物质的 EA数据十分不可靠
? 2,电负性 (p153,表 5-12)
? 原子在 分子中 吸引电子的能力, 用 x表示
? 是人为 (主要是 Pauling提出 ) 规定的标准：
Li,x=1.0; F,x=4.0
书表 5-12,0.98; 3.98三位更细致
元素电负性比例图
(Pauling Scale)
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
1.10 1.12 1.13 1.14 -- 1.17 -- 1.20 -- 1.22 1.23 1.24 1.25 -- 1.0
Ac Th Pa U Np Pu
1.1 1.3 1.5 1.7 1.3 1.3
H
2.20
He
Li Be0.98 1.57 B C N O F Ne2.04 2.55 3.04 3.44 3.98
Na Mg
0.93 1.31
Al Si P S Cl Ar
1.61 1.90 2.19 2.58 3.16
K Ca
0.82 1.00 Ga Ge As Se Br Kr1.81 2.01 2.18 2.55 2.96
Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
1.36 1.54 1.63 1.66 1.55 1.83 1.88 1.91 1.90 1.65
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
0.82 0.95 1.22 1.33 1.6 2.16 2.10 2.2 2.28 2.20 1.93 1.69 1.78 1.96 2.05 2.1 2.66 2.60
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
0.79 0.89 1.10 1.3 1.5 1.7 1.9 2.2 2.2 2.2 2.4 1.9 1.8 1.8 1.9 2.0 2.2
Fr Ra Ac
0.7 0.9 1.1
? 横向 (各周期,不同族 ),主族 左 ?右 逐渐升高
? 纵向 (各族,不同周期 ),主副族 上 ?下 逐渐减小
正好与 Z’的变化规律一致
? 因此, Cs 0.79 (Fr 0.7)最小,F最大 3.98
? 通常，金属 < 2.0 非金属 > 2.0
? 电负性 越大,表示在分子中原子 吸引电子 的能力 越强
? (四 ) 金属性与非金属性
? 指元素 (在化学反应中 )得, 失 e的难易程度
? 显然, 得 e易, 非金属性强；失 e易, 金属性强
? 1,影响因素
? 基于前面的讨论，原子得失 e的难易程度与?因素 有关
e层结构 (n e数 ),r,Z’
∴ 最外层 e数少,失去 e变成惰性气体原子结构容易
? 原子半径 r大及有效核电荷 Z’小,核对 e吸引弱 金属性强
? 最外层 e数多,得到 e变成惰性气体原子结构容易
? 原子半径 r小及有效核电荷 Z’大,核对 e吸引强 非金属性强
? 周期表中：
性 质 最外层 e结构 (e数 ) r Z’少 (易失 e) 多 (易得 e) 大 小 小 大
金属性 强 (IA) 强 强
非 M性 强 (VIIA) 强 强
电离能 小 大 小 大 小 大
EA 小 大 小 大 小 大
电负性 小 大 小 大 小 大
? 2,主族元素
? 横向, 左 ? 右 金属性 ?,非金属性 ? 金属性 最强 Cs(Fr)
? 纵向, 上 ?下 金属性 ?,非金属性 ? 非金属性 最强 F
? 3,副族元素
? 因最外层都是 ns1,2,e少, 所以都是金属元素
? 又 r 变化较小, M性变化很慢
? 如,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn
Ru,Rh,Pd
Os,Ir,Pt
? 副族元素化学性质相近, 如：
? 都可与酸反应置换出 H2,都形成碱性氢氧化物等
? 又特别是 第 Ⅷ 族 性质相似,且 d电子较多,能量也高 /活泼
工业上多用作 催化剂
? IB与 IIB,Cu,Ag,Au; Zn,Cd,Hg
? 随周期增加, 金属性递减 (属异常 /相对论效应 )
? Au与 王水 (浓 HCl 3, 浓 HNO3 1) 才反应
? 总体来看，副族元素金属性质差别比主族小
? 因结构特殊，性质变化不规则，是中等活泼的金属
? 有利的方面,工业上用作结构材料、催化剂等
? 有些易形成致密氧化膜的金属如 Ti,Cr可改善表
面性能，用做生产不锈钢 ——1Cr18Ni9Ti
? 不利的方面,因性质相近，提炼困难
? 如攀枝花铁矿渣含丰富的 V,Ti和稀土 (Sc Y+Ln系 )等
? 此外, Ti的 r大,d小，是优良的航空航天材料
? 4,镧系元素
? Sc,Y,Ln系 ——稀土金属,位于周期表左下角
? 因此，金属性强
? 又因 e在 (n-2)f上填充,已知 ? =1,故 Z’相同,r又非常接近，
因此性质极为相似
? 地壳中都以混合形式存在，很难提炼分离
? 多用作特种材料，如利用活性大特性,做,
? 打火石 (含 30%铈 Ce的铁合金 ),西工大 稀土永磁 材料 (fn)
? 235U,239Pu,BaLaCuOx高温超导材料等
? 我国的稀土藏量比世界其他地区的总量还多 ?
TlCaBaCuOx ?
习题, 27,28,29,31,32
负性, 金属性 等的 递变规律,
§ 5-3 元素的性质与原子结构的关系
? 中学知, 元素周期表最早是通过元素性质排列出来的
? 通过学习原子结构, 我们可进一步 (从原子结构的角度 )认
识周期表以及元素性质的 周期性 变化
? 元素有效核电荷的周期性变化，决定了 原子半径、电离
能、电子亲合能、电负性、金属性与非金属性 的周期性
变化。首先：
? (一 ) 原子半径
? 1,种类：
? a) 通过理论计算 ——*自由半径
? 定义,电子云 90%的界面 (球面 )
r
90%
? 共价分子 /化合物 中，共价键键长的 1/2
? 如 O2分子,r=RAA’/2,称为 共价半径
? 金属晶体 中，原子结合情况与共价化合
? 物稍有不同则 r=RMM’/2,称为 金属半径
? 惰性气体 中，原子间不形成化学键，但
? 由于在 T很低时也能液化、固化，因此
? 原子 (分子 )间以分子间力 (Van de Waals力 )
? 作用，相互接触，形成分子晶体
? 以及如 干冰 CO2,两个 分子间 也以 VdW
? 力相互作用,其 O-O间的半径
? 以上二者都称为 接触半径
或 van de Waals半径
A A’
RAA’
A A’
RAA’
CO2 CO2
? b) 通过实验测定：
原子半径 (pm) 比例图
H
37
He
Li Be152 111 B C N O F Ne80 77 70 66 64
Na Mg
186 160
Al Si P S Cl Ar
143 117 110 104 99
K Ca
227 197
Ga Ge As Se Br Kr
122 123 121 117 114
Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
161 145 131 125 137 124 125 125 128 123
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
248 216 181 160 143 136 136 133 135 138 145 149 163 141 141 143 133
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
265 217 188 156 143 137 134 134 136 138 144 160 170 175 155 187
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
188 183 182 181 181 180 199 180 178 177 177 173 175 194 173
? 尽管 r的种类、取法有不同，但研究原子半径，
总有一些变化规律 (p149 表 5-8)
? 2,变化规律
? 横向看,主族 副族
? 明显减小,惰性气体突然增大 缓慢减小 略有上升
? 因, 最外层的同层增加 1e n-1层增加 1e,?增加 0.85
? 增加 0.35,Z’?0.65,r?大 Z’?0.15,r? 较小
回升, 因电子层已满，且为接 因 d10 已满，屏蔽效应
触半径,堆积不紧密 较大
r
族VII
A 0IA
? ?pm '9.52 2Znr ?
族I
B IIBⅢ B
r
? 纵向看,主族 副族
r
周期下上
? 明显增大 1?2缓慢增大； 2?3几乎不变
(少数减小 )
? 因为：电子层数 n增大 e填充内层,d电子多,r?较少
La系收缩 (e填 n-2,相对论收缩 )
? (二 )电离能 (IE,Ionization Energy; IP,Ionization Potential)
? 1,定义,由气态原子失去 e,变成 +1价离子吸收的能量
? A (g) – e == A+ (g) EI (IPI,IEI) 第一电离能 =?rHm?
? A+ (g) – e == A2+ (g) EII (IPII,IEII) 第二电离能
r
过渡系2 31
? 2、规律 ——p151 表 5-10
? 总体来看, 横向 (各周期,不同族 )：
? 主族 左 ?右 较快升高,0族最高
? 副族 左 ?右 较慢升高 ；
? 纵向 (各族,不同周期 )：
? 主, 副族 上 ?下 减小
但是，细致分析有：
Ar n=3
Ne n=2F
ON
CBBe
Li
Ⅵ AIIA
IE1
主族
Ⅲ A VA
总体趋势, 左 ?右 ↑
上 ?下 ↓
但,1) B<Be,Al<Mg
或 IIIA< IIA
2) O<N,S<P
或 VIA< VA
与近似能级公式 矛盾 !
因此,Cs(Fr)最小
He最大
2
2'
6.13 nZE ??
? 因为：
? 原因是,Be的 2s2电子已经配对,拆散困难 (克服成对能 )
? N为稳定的 半满结构,失去 e困难 同理 d5 d10
? 电子填充不规则，电离能变化不规则,进一步说明原子、
分子的电子结构复杂，性质很难有简单公式描述
? Koopmann定理,电离能 ≈-E能级 (电离能 ≠-E能级 )
? 是因为 电离过程 中, e云要发生变形, 原来的相互作用
(Hamilton量 )要重新分配, 伴随能级发生变化
? 因此, 用能级公式计算电离能, 只能 用于电子作用不
重新分配的 H原子和类 H离子这样的 单电子体系
Ar n=3
Ne n=2F
ON
CBBe
Li
Ⅵ AIIA
IE1
主族
Ⅲ A VA
Be,1s22s2 Z’= 4–(2× 0.85+0.35)=1.95
B,1s22s22p1 Z’=5–(2× 0.85+2× 0.35) =2.60
N,1s22s22p3 Z’=7–(2× 0.85+4× 0.35)=3.90
O,1s22s22p4 Z’=8–(2× 0.85+5× 0.35)=4.55
且 后者 的 r 也小 ?的确与静电作用 矛盾！
? (三 ) 电子亲合能与电负性
? 1,电子亲合能 *
? 定义：基态的气态原子, 获得一个 e放出的能量：
? A (g) + e ? A- (g) EA=-?rHm? (Electronic Affinity)
? 是衡量 原子 尤其是非金属原子 获得 e难易程度 的物理量
? 显然 Z’越大, 获得电子的能力越强, EA?
? 因此 周期表右上角 EA大,变化规律大体与电离能一致
不过迄今为止，物质的 EA数据十分不可靠
? 2,电负性 (p153,表 5-12)
? 原子在 分子中 吸引电子的能力, 用 x表示
? 是人为 (主要是 Pauling提出 ) 规定的标准：
Li,x=1.0; F,x=4.0
书表 5-12,0.98; 3.98三位更细致
元素电负性比例图
(Pauling Scale)
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
1.10 1.12 1.13 1.14 -- 1.17 -- 1.20 -- 1.22 1.23 1.24 1.25 -- 1.0
Ac Th Pa U Np Pu
1.1 1.3 1.5 1.7 1.3 1.3
H
2.20
He
Li Be0.98 1.57 B C N O F Ne2.04 2.55 3.04 3.44 3.98
Na Mg
0.93 1.31
Al Si P S Cl Ar
1.61 1.90 2.19 2.58 3.16
K Ca
0.82 1.00 Ga Ge As Se Br Kr1.81 2.01 2.18 2.55 2.96
Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
1.36 1.54 1.63 1.66 1.55 1.83 1.88 1.91 1.90 1.65
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
0.82 0.95 1.22 1.33 1.6 2.16 2.10 2.2 2.28 2.20 1.93 1.69 1.78 1.96 2.05 2.1 2.66 2.60
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
0.79 0.89 1.10 1.3 1.5 1.7 1.9 2.2 2.2 2.2 2.4 1.9 1.8 1.8 1.9 2.0 2.2
Fr Ra Ac
0.7 0.9 1.1
? 横向 (各周期,不同族 ),主族 左 ?右 逐渐升高
? 纵向 (各族,不同周期 ),主副族 上 ?下 逐渐减小
正好与 Z’的变化规律一致
? 因此, Cs 0.79 (Fr 0.7)最小,F最大 3.98
? 通常，金属 < 2.0 非金属 > 2.0
? 电负性 越大,表示在分子中原子 吸引电子 的能力 越强
? (四 ) 金属性与非金属性
? 指元素 (在化学反应中 )得, 失 e的难易程度
? 显然, 得 e易, 非金属性强；失 e易, 金属性强
? 1,影响因素
? 基于前面的讨论，原子得失 e的难易程度与?因素 有关
e层结构 (n e数 ),r,Z’
∴ 最外层 e数少,失去 e变成惰性气体原子结构容易
? 原子半径 r大及有效核电荷 Z’小,核对 e吸引弱 金属性强
? 最外层 e数多,得到 e变成惰性气体原子结构容易
? 原子半径 r小及有效核电荷 Z’大,核对 e吸引强 非金属性强
? 周期表中：
性 质 最外层 e结构 (e数 ) r Z’少 (易失 e) 多 (易得 e) 大 小 小 大
金属性 强 (IA) 强 强
非 M性 强 (VIIA) 强 强
电离能 小 大 小 大 小 大
EA 小 大 小 大 小 大
电负性 小 大 小 大 小 大
? 2,主族元素
? 横向, 左 ? 右 金属性 ?,非金属性 ? 金属性 最强 Cs(Fr)
? 纵向, 上 ?下 金属性 ?,非金属性 ? 非金属性 最强 F
? 3,副族元素
? 因最外层都是 ns1,2,e少, 所以都是金属元素
? 又 r 变化较小, M性变化很慢
? 如,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn
Ru,Rh,Pd
Os,Ir,Pt
? 副族元素化学性质相近, 如：
? 都可与酸反应置换出 H2,都形成碱性氢氧化物等
? 又特别是 第 Ⅷ 族 性质相似,且 d电子较多,能量也高 /活泼
工业上多用作 催化剂
? IB与 IIB,Cu,Ag,Au; Zn,Cd,Hg
? 随周期增加, 金属性递减 (属异常 /相对论效应 )
? Au与 王水 (浓 HCl 3, 浓 HNO3 1) 才反应
? 总体来看，副族元素金属性质差别比主族小
? 因结构特殊，性质变化不规则，是中等活泼的金属
? 有利的方面,工业上用作结构材料、催化剂等
? 有些易形成致密氧化膜的金属如 Ti,Cr可改善表
面性能，用做生产不锈钢 ——1Cr18Ni9Ti
? 不利的方面,因性质相近，提炼困难
? 如攀枝花铁矿渣含丰富的 V,Ti和稀土 (Sc Y+Ln系 )等
? 此外, Ti的 r大,d小，是优良的航空航天材料
? 4,镧系元素
? Sc,Y,Ln系 ——稀土金属,位于周期表左下角
? 因此，金属性强
? 又因 e在 (n-2)f上填充,已知 ? =1,故 Z’相同,r又非常接近，
因此性质极为相似
? 地壳中都以混合形式存在，很难提炼分离
? 多用作特种材料，如利用活性大特性,做,
? 打火石 (含 30%铈 Ce的铁合金 ),西工大 稀土永磁 材料 (fn)
? 235U,239Pu,BaLaCuOx高温超导材料等
? 我国的稀土藏量比世界其他地区的总量还多 ?
TlCaBaCuOx ?
习题, 27,28,29,31,32
